Polishing of niobium for superconducting radiofrequency cavities

This thesis focuses on the industrial surface treatment processes employed for the manufacturing of Nb superconducting radiofrequency (SRF) cavities. In recent times, nearly 400 SRF cavities have been developed by LASA research group of INFN (Istututo Nazionale di Fisica Nucleare) and produced by Ettore Zanon S.p.A. Such cavities represent half of the electron linear accelerator of the European XFEL (X-ray free electron laser) located in Hamburg (17.5 GeV final energy). The operation of the cavities occurs at 1.3 GHz RF frequency with a geometrical design allowing synchronous ultra-relativistic (= v/c ≈ 1) electron acceleration. In the near future, the production of a new batch of cavities for the PIP-II (Proton Implant Project II) linear accelerator at FermiLab is foreseen. Aimed to accelerate protons, whose velocity is less than speed of light (= v/c < 1), the SRF cavities for PIP-II uses a different frequency (650 MHz) and requires a different cell geometry. In fact, lower frequency implies a larger cavity radius, and low  (0.61 in case of the INFN contribution to PIP-II) implies a more squeezed cell length, in order to fulfill the synchronism condition for proton acceleration. Electropolishing has been employed in the past as the main surface treatment for XFEL cavities. Such process has been fully optimized on such traditional cavity geometry, so that it is nowadays commonly considered as the most effective surface treatment for achieving higher cavity performances. Now, facing the upcoming PIP-II series production of low-beta cavities, no equivalent experience on electropolishing is available. Many process features are expected to change due to the different cavity geometry. It is therefore important to develop a tailored electropolishing process. The aim of this work is to evaluate the fluid dynamics and electrochemical profile of a electropolishing system, employing COMSOL Multiphysics software for simulate the behavior of the system, taking into account the various physical and chemical processes involved for fully model the process and so optimize the electrochemical polishing of the cavities. Firstly, the simulations have been performed on the XFEL cavities where the great number of processed cavities offers the benefit of a great statistical significance. Secondly, the new PIP-II cavity geometry is studied. The results of simulations will be employed to set up the experimental parameters of the foreseen electropolishing of 5 single cell prototypes - now under construction - which will be the forerunner for the whole PIP-II low  cavity series production. Beyond the main elettropolishing treatment, as a possible pre-processing technique, a vibro-tumbling procedure on niobium is here presented and proposed. Such process, carried out by Rösler GmBH, allows the use of different abrasive media which yields different surface finishing. The quality of the processed surface for all the treatments herein presented is studied by means of several analytical techniques. Atomic Force Microscopy and Scanning Electron Microscopy have been employed for the evaluation of surface morphology, while Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy has been used for evaluate the depth profile of the main niobium contaminants such as oxygen and hydrogen, in the subsurface layer. The results on representative niobium samples are here compared and discussed.

Questa tesi è incentrata sui processi industriali per i trattamenti superficiali usati nella produzione di cavità superconduttive a radiofrequenza in Nb. Al giorno d’oggi, circa 400 cavità superconduttive sono state sviluppate dal gruppo di ricerca del LASA, sezione dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare rivolta allo studio di acceleratori lineari; successivamente vennero prodotte da Ettore Zanon S.p.A. Queste cavità rappresentano metà degli acceleratori lineari di elettroni utilizzati nell’European XFEL (X-Ray free electron laser) di Amburgo. La geometria della cella permette il sincronismo ultrarelativistico con un rapporto delle velocità prossimo a 1 (= v/c ≈ 1), con una radio frequenza pari a 1.3 GHz. La ricerca attualmente guarda alla produzione di cavità per il PIP-II (Proton Implant Project II), l’acceleratore lineare dei laboratori del FermiLab. Quest’ultimo verrà utilizzato per l’accelerazione di protoni, i quali hanno una velocità più bassa confronto a quella della luce (= v/c < 1). Così facendo le cavità utilizzate per il PIP-II presenteranno una frequenza minore (650 MHz) e una geometria differente. Infatti, una frequenza minore implica l’utilizzo di una cavità con un raggio maggiore, e, una bassa equivale a una cella più schiacciata, per permettere il sincronismo per l’accelerazione dei protoni. L’elettrolucidatura è stata utilizzata in passato come principale trattamento superficiale per la produzione di cavità XFEL. Questo processo è stato ottimizzato e migliorato, così che oggigiorno è considerate come migliore trattamento per produrre cavità che raggiungo le più alte performance. Considerando le cavità PIP-II, non è possibile avere un processo di elettrolucidatura equivalente, poiché si hanno diversi parametri e molte proprietà possono cambiare a causa della diversa geometria di cella. È importante quindi trovare un trattamento di elettrolucidatura adatto a questo tipo di cavità. Lo scopo di questo lavoro è di valutare la fluidodinamica e i profili elettrochimici tipici di un processo di elettrolucidatura standard, utilizzando il software COMSOL Multiphysics per simulare il comportamento dei sistemi, considerando i vari processi fisici e chimici che avvengono durante l’intero trattamento. Inizialmente le simulazioni vengono eseguite sulle cavità XFEL, poiché, a causa della grande quantità di cavità prodotte, molti dati statistici sono a disposizione. Secondariamente verranno studiate le nuove cavità PIP-II. Il risultato delle simulazioni verrà utilizzato per pianificare i vari parametri sperimentali per l’elettrolucidatura del prototipo di cavità a 5 celle. Oltre al principale trattamento di elettrolucidatura, è possibile eseguire altre tecniche, come la vibro burattatura del niobio. Tale trattamento è eseguito da Rösler GmBH, con l’utilizzo di diversi materiali abrasive che permettono di avere diverse finiture superficiali. La qualità della superficie ottenuta viene studiata con l’aiuto di diverse tecniche analitiche, come AFM (atomic force microscopy) e SEM (scanning electron microscopy), così da poter valutare la morfologia superficiale; un’altra analisi eseguita è quella del GDOES (glow discharge optical emission spectroscopy), utilizzata principalmente per valutare la profondità del profilo delle sostanze contaminanti come ossigeno e idrogeno. I risultati saranno comparati e discussi.